[实用新型]纳米线栅结构和荧光各向异性增强装置

说明书

本实用新型提供了一种纳米线栅结构和荧光各向异性增强装置。该纳米线栅结构为多个条状结构线栅平行排布形成，且其结构参数为：线栅周期300‑800纳米，线栅宽度50‑400纳米。该装置利用超材料表面等离激元共振产生的超强局域场和超小模体积，增强荧光材料的自发辐射率和荧光强度，通过调节纳米线栅结构的线宽调制荧光增强程度，并通过调节纳米线栅结构的周期控制荧光场增强方向，从而解决了现有材料荧光信号弱以及现有技术难以调制荧光增强程度和光场偏振方向的技术问题。

技术领域

本实用新型涉及纳米材料和纳米光电子技术领域，具体涉及一种纳米线栅结构和荧光各向异性增强装置。

背景技术

强度可控的微纳光源在信号产生、信息传输、单分子照明、高灵敏传感、细胞无损探测等方面具有重要的应用价值，是光子集成技术研究的重点。近年兴起的新型二维晶体具有广泛的禁带选择性，涵盖从紫外到红外整个光谱范围，具备单原子层结构、力学稳定性、光电可调性和CMOS工艺兼容性等优异特性。但是较弱的自发辐射荧光限制了二维晶体作为微纳光源的实际应用。

实现荧光增强的途径有多种。化学上，通过荧光增效试剂来增强荧光，增效试剂能与荧光较弱的物质共价或非供价结合形成荧光配合物，提高有效吸光截面增强荧光，但是却不能控制增强程度和方向。物理上，在电致发光体系中，通过增加PN节正向偏压来增加偏置电流可以提高荧光强度，但是随着正向偏压的增加，势垒区变小，PN结消失，荧光也会消失。在光致发光体系中，最直接的手段是通过提高激发光功率来提高荧光强度，但是受材料光吸收能力的限制，荧光光强随激发光功率增加会迅速趋于饱和。

针对这一局限，各类光学共振腔开始被人们研究，因为共振腔可以改变荧光材料的介质环境，提高光子局域态密度，从而改变材料的自发辐射率。物理上用Purcell效应来描述荧光自发辐射增强效应，其中Purcell因子Fp是表达增强效果的最直接物理量。

公式右边的Q是质量因子，取决于共振模线宽，V是模体积。Q越大，V越小，则Fp越大荧光增强越明显。随着时间延续，光学共振腔从分布布拉格反射腔、微碟共振腔、回音壁共振腔、光子晶体共振腔发展到最前沿的金属表面等离激元共振腔。共振腔材料从传统的介质发展到金属，共振模体积越来越小，从最初大于光波长到接近波长再到现在的几纳米。代表性工组有2004年Peter Lodahl报道的光子晶体控制量子点自发辐射的方法，指出荧光增强的主要原因是光子晶体结构改变了荧光材料的辐射寿命。

超材料的出现预示着光子器件可以不受光学衍射极限限制，向无限小型化发展。金属纳米结构超材料因超强的电磁场增强和局域能力以及结构的多样性和灵活性成为荧光增强和调制的重要技术手段。得益于超小的光学共振模体积，Purcell因子显著提高，使得荧光自发辐射率显著增强。2015年，美国西北大学的研究人员将银的纳米圆盘矩阵直接制备在二硫化钼单层表面，发现荧光光强有了12倍的增强。通过调节圆盘直径，荧光在不同波长处表现出了不同的增强效果。并指出荧光增强是表面等离子体共振模与激发场和辐射场耦合的结果。同年，美国宾夕法尼亚大学研究小组将三角形蝴蝶结金属纳米结构制备在二硫化钼单层表面，二者直接接触，使荧光强度有了高达三十倍的提高。通过调节蝴蝶结结构的周期，荧光也在不同波长处也出现了不同程度的增强。

综上，这些研究对二维晶体荧光增强现象和机理进行了描述和解释，但并未从应用的角度对超材料荧光调制技术进行探索，特别是没有对荧光的各向异性增强技术开展具体的研究，因此基于表面等离激元超材料开发一种能够实际应用的荧光各向异性增强装置是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种纳米线栅结构和荧光各向异性增强装置，该增强装置利用超材料表面等离激元共振产生的超强局域场和超小模体积，以增强荧光材料的自发辐射率和荧光强度，并通过调节纳米线栅结构的线宽调制荧光增强程度；利用超材料的各向异性共振模，产生各向异性荧光场，并通过调节纳米线栅结构的周期控制场增强方向和波长位置，具备简单、高效、可调节的特性，以解决现有材料荧光信号弱以及现有技术难以调制荧光增强程度和光场偏振方向的技术问题。